PBFT（実用的なビザンチンの断層許容度）とは何ですか？

PBFT（実用的なビザンチン断層トレランス）は、障害のあるノードや悪意のあるノードが存在する場合でも、分散システムで一致するように設計されたコンセンサスアルゴリズムです。 1999年にミゲルカストロとバーバラリスコフによって開発されたPBFTは、ノード間のコンセンサスを維持することがネットワークの整合性とセキュリティに不可欠である暗号通貨とブロックチェーンスペースに特に関連しています。

PBFTの基本

PBFTは、ネットワーク内のノードの最大3分の1が欠陥または悪意がある可能性があるが、システムは依然としてコンセンサスに達する可能性があるという仮定の下で動作します。これはビザンチン将軍の問題として知られています。ここでは、いくつかのノードが誤った情報を提供する可能性があるにもかかわらず、単一の状態にノードが同意する必要があります。暗号通貨のコンテキストでは、これは、いくつかのノードが損なわれたとしても、ネットワークが正しくかつ安全に機能できることを意味します。

アルゴリズムは、準備、準備、コミットの3つの主要なフェーズで機能します。これらのフェーズにより、すべての障害のないノードがトランザクションの順序に一致することを保証します。これは、ブロックチェーンの完全性を維持するために不可欠です。

PBFTの仕組み

プレペアフェーズでは、プライマリノード（ラウンドロビンファッションで選択）は、他のすべてのノードに事前準備メッセージをブロードキャストし、新しいトランザクションブロックを提案します。次に、各ノードは提案されたブロックの有効性を検証し、有効な場合、準備フェーズに移動します。

準備フェーズ中、各ノードは他のすべてのノードに準備メッセージを送信し、事前課題メッセージを受け入れたことを示します。ノードがノードの3分の2以上からメッセージを受信すると、コミットフェーズに移動します。

コミットフェーズでは、ノードはコミットメッセージを相互に送信します。ノードがノードの3分の2以上からコミットメッセージを受信すると、ブロックが完成したことを検討し、ブロックチェーンに追加します。これにより、すべての非障害ノードが同じブロックで合意し、元帳の完全性を維持することが保証されます。

PBFTの利点

PBFTの重要な利点の1つは、コンセンサスを迅速に達成する能力であり、低遅延を必要とするアプリケーションに適していることです。コンセンサスに達するまでに数分かかる可能性のあるProof-of-Work（POW）システムとは異なり、PBFTは数秒でトランザクションを完成させることができます。

もう1つの利点は、そのエネルギー効率です。 PBFTは、POWに関連する計算能力とエネルギー消費を必要とせず、コンセンサスのためのより環境に優しいオプションとなっています。

PBFTの制限

その利点にもかかわらず、 PBFTにはいくつかの制限があります。重要な制限の1つは、そのスケーラビリティです。ネットワーク内のノードの数が増加すると、通信オーバーヘッドも増加し、大規模なネットワークの効率が低下します。

さらに、PBFTはノードの静的セットを想定しています。これは、ノードが頻繁に接合またはネットワークを離れる動的環境では課題になる可能性があります。これにより、誰でもネットワークに参加できる許可のないブロックチェーンには適していません。

暗号通貨ネットワークのPBFT

いくつかの暗号通貨ネットワークは、コンセンサスメカニズムのためにPBFTを採用または適応させています。たとえば、エンタープライズ使用に人気のあるブロックチェーンプラットフォームであるHyperledgerファブリックは、PBFTのバリアントを使用して、ノード間でコンセンサスを達成します。

暗号通貨のコンテキストでは、PBFTは、ノードのセットが既知で信頼されているプラ​​イベートまたはコンソーシアムブロックチェーンに特に役立ちます。これにより、POWまたはProof-of-Stake（POS）に依存しているパブリックブロックチェーンと比較して、より速いトランザクション処理とセキュリティの改善が可能になります。

暗号通貨ネットワークにPBFTを実装します

暗号通貨ネットワークにPBFTを実装するには、いくつかのステップに従う必要があります。

• プライマリノードを選択します。プライマリノードは、新しいブロックを提案する責任があります。ラウンドロビンメソッドまたは別の決定論的アルゴリズムを使用して選択できます。
• 放送前準備メッセージ：プライマリノードは、他のすべてのノードに事前準備メッセージをブロードキャストし、トランザクションの新しいブロックを提案します。
• 検証と準備：各ノードは提案されたブロックを検証し、有効な場合、他のすべてのノードに準備メッセージを送信します。
• メッセージを収集するメッセージを収集：ノードがノードの3分の2以上からの準備を受信すると、コミットフェーズに移動します。
• コミットメッセージの送信：ノードは互いにコミットメッセージを送信します。ノードがノードの3分の2以上からコミットメッセージを受信すると、ブロックが完成したことを検討し、ブロックチェーンに追加します。

PBFT対その他のコンセンサスアルゴリズム

PBFTをPOWやPOSなどの他のコンセンサスアルゴリズムと比較すると、いくつかの重要な違いが現れます。 Bitcoinが使用するPOWは、計算能力に依存してコンセンサスを達成します。 Ethereum 2.0で使用されるPOSは、参加者の利害関係に依存しています。これは、エネルギー効率が高いが、特定の種類の攻撃に対して脆弱な場合があります。

一方、PBFTは速度とセキュリティのバランスを提供し、高速トランザクション処理と高いセキュリティを必要とするアプリケーションに適しています。ただし、スケーラビリティの制限により、大規模なパブリックブロックチェーンには適していません。

PBFTの実際のアプリケーション

PBFTは、暗号通貨およびブロックチェーンスペース内のさまざまな現実世界アプリケーションに実装されています。たとえば、ハイスループットアプリケーション向けに設計されたブロックチェーンプラットフォームであるZilliqaは、PBFT（実用的なビザンチンフォールトトレランス）と呼ばれるPBFTのバリアントを使用して、その破片間でコンセンサスを達成します。

別の例は、R3によって開発された分散型台帳プラットフォームであるCordaです。これは、PBFTに基づいたコンセンサスメカニズムを使用して、トランザクションの完全性を確保しています。これらのアプリケーションは、さまざまなブロックチェーン環境でのPBFTの汎用性と有効性を示しています。

よくある質問

Q：PBFTはパブリックブロックチェーンで使用できますか？

A：PBFTは、スケーラビリティの制限により、プライベートまたはコンソーシアムのブロックチェーンでより一般的に使用されていますが、スケーラビリティの問題に対処するための修正を備えた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、ノード参加の動的な性質により、パブリックブロックチェーンではあまり一般的ではありません。

Q：PBFT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：PBFTは、既知の時間帯域内でメッセージが配信される同期ネットワークを想定しています。ネットワークパーティションの場合、パーティションがノードの3分の2未満で通信できる場合、PBFTはコンセンサスを達成するのに苦労する可能性があります。ビューの変更などのソリューションは、この問題を軽減するのに役立ちますが、課題のままです。

Q：PBFTを使用することのセキュリティへの影響は何ですか？

A：PBFTは、ノードの3分の1未満が欠陥または悪意がある限り、強力なセキュリティ保証を提供します。ただし、このしきい値を超えると、システムが侵害される可能性があります。さらに、PBFTのセキュリティはノードとネットワークの整合性に依存しているため、ノードレベルで堅牢なセキュリティ対策を実装することが重要になります。

Q：PBFTは、他のビザンチンフォールトトレランスアルゴリズムと比較してどうですか？

A：PBFTは、それぞれ独自の長所と短所を持ついくつかのビザンチン断層トレランスアルゴリズムの1つです。たとえば、 Tendermintは、同様のセキュリティ保証を提供するが、パフォーマンス特性が異なる別のBFTアルゴリズムです。 PBFTは、中小サイズのネットワークでの効率性で知られていますが、 HoneyBadgerBFTのような他のアルゴリズムは非同期ネットワーク向けに設計されており、より動的な環境を処理できます。