ブロックチェーンは、ビザンチン将軍の問題をどのように解決しますか？

分散システムにおけるビザンチン将軍の問題を理解する

ビザンチン将軍の問題は、コンピューターサイエンスの古典的な思考実験であり、一部のコンポーネントが悪意を持って故障または行動する可能性のある分散ネットワークでコンセンサスを達成することの難しさを示しています。都市を取り巻く複数の将軍を想像してください。それぞれが軍隊の一部を指揮しています。彼らは攻撃するか退却するかをまとめて決定しなければなりません。コミュニケーションはメッセンジャーを介して発生しますが、一部の将軍は、調整を混乱させるために対立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。この課題は、信頼できない俳優の存在にもかかわらず、忠実な将軍が同じ決定に達することを保証することにあります。

デジタルシステムのコンテキストでは、この問題は、トランザクションの妥当性など、単一のバージョンの真実に同意する必要がある分散ネットワークのノードに変換されますが、一部のノードは故障または妥協している可能性があります。ブロックチェーンが安全に機能するためには、他の人がプロセスを欺こうとしようとしようとしても、正直な参加者がコンセンサスに達することができるようにすることにより、この問題を解決する必要があります。

ブロックチェーンにおけるコンセンサスメカニズムの役割

ビザンチン将軍の問題に対処するために、ブロックチェーンは、分散ノードが元帳の状態に同意できるようにするコンセンサスメカニズムを実装します。これらのメカニズムは、特定の数の障害または悪意のあるノードに耐えるように設計されています。最も顕著なソリューションには、仕事の証明（POW）と株式証明（POS）が含まれます。どちらもビザンチン断層トレランス（BFT）を可能にします。

Bitcoinのような作業システムの証明では、鉱夫は複雑な暗号化パズルを解決するために競います。それを解決した最初のものは、ネットワークのソリューションをブロードキャストします。他のノードは作業を確認し、有効な場合はチェーンにブロックを追加します。パズルを解くにはかなりの計算努力が必要なため、悪意のあるアクターがネットワークのコンピューティングパワーの50％以上を制御しない限り、ブロックチェーンを操作することは経済的に実行不可能になります。これは、51％の攻撃として知られるシナリオです。

同様に、 Sport of Stakeは、担保として「利害関係」である暗号通貨の量に基づいてバリデーターを選択します。バリデーターは、その影響を彼らの利害関係に比例させて、ブロックを提案し、投票します。バリデーターが不正行為を試みた場合、彼らはスラッシングと呼ばれるプロセスを通じて彼らの賭けの資金を失う危険を冒します。この経済的妨害は、悪意のある行動を阻止し、正直なノード間のコンセンサスをサポートします。

不変性と暗号化の検証が欺ceptionを妨げる方法

ブロックチェーンは、暗号化のハッシュとデジタル署名を使用して、データの整合性と信頼性を確保します。すべてのブロックには、前のブロックのハッシュが含まれており、遡及的に変更することが非常に困難なチェーンを作成します。以前のブロックでデータを変更するには、その後のすべてのブロックハッシュを再計算する必要があります。これは、大規模なネットワークで計算的に非実用的です。

各トランザクションは送信者の秘密鍵で署名され、ノードは対応する公開キーを使用してその信ity性を確認できるようにします。これにより、なりすましが防止され、正当なアクターのみが取引を開始できるようになります。ノードが新しいブロックを受信すると、その中のすべてのトランザクションを独立して検証し、デジタル署名、利用可能な資金、およびプロトコルルールの順守をチェックします。

この分散化された検証プロセスは、別のノードを信頼するために単一のノードを必要としないことを意味します。代わりに、信頼はネットワークの集合的検証から派生しています。一部のノードが誤った情報をブロードキャストしたとしても、正直なノードの大部分は無効なブロックを拒否し、元帳の完全性を維持します。

ビザンチン環境におけるネットワークの伝播と最終性

コンセンサスが効果的であるためには、情報がネットワーク全体で効率的に伝播する必要があります。ブロックチェーンは、ピアツーピア（P2P）ネットワーキングプロトコルに依存して、ブロックとトランザクションを広めます。マイナーまたはバリデーターが新しいブロックを生成すると、すぐに隣接ノードにブロードキャストされ、他のノードに伝えます。この洪水メカニズムは、急速な分布を保証します。

ただし、ネットワークの遅延により一時的な意見の相違が発生する可能性があり、2つの有効なブロックが同時に作成されている場合のフォークにつながります。 POWシステムでは、ネットワークは最長のチェーンルールに従うことでこれを解決します。ノードは、最も蓄積された作業を有効な作業でチェーンを受け入れます。時間が経つにつれて、1つのブランチが長くなり、もう1つのブランチは放棄されます。この最終的な収束により、すべての正直なノードが単一の履歴に同意することが保証されます。

POSシステムでは、チェックポイントや投票ラウンドなどのメカニズムを通じて最終性が達成されることがよくあります。このメカニズムでは、バリデーターの超大多数が最終と見なされる前にブロックを承認する必要があります。これらのプロトコルは、チェーンの再編成のリスクを減らし、ビザンチン断層に対する耐性を高めます。

実用的なビザンチン断層トレランスと最新のブロックチェーンデザイン

一部のブロックチェーンは、POWよりも低いエネルギー消費を伴うコンセンサスを達成するために、実用的なビザンチン断層トレランス（PBFT）またはそのバリアントを実装しています。 PBFTは、ノードが既知であり、複数のラウンドで通信できる許可または部分的に許可された設定で動作します。ノードの少なくとも3分の2が正直である限り、コンセンサスを保証します。

PBFTでは、リーダーノードがブロックを提案し、他のノードはプレペアのフェーズを通過し、準備し、検証するためにコミットします。十分な数のノードがコミットされると、ブロックが完成します。このアプローチは、即時の最終性と高スループットを提供しますが、多数のノードではスケールが不十分です。

委任された株式の証明（DPO）やテンデリントなどのハイブリッドモデルは、BFTの要素と分散型ガバナンスを組み合わせています。これらのシステムは、BFTスタイルのコンセンサスを実行し、セキュリティ、速度、および分散化のバランスをとる有効化者の限られたセットを選択します。このような設計は、ブロックチェーンテクノロジーが理論的ソリューションを実際の制約に適応させる方法を示しています。

Bitcoinでビザンチン断層トレランスを達成する段階的なプロセス

• トランザクションが開始され、送信者の秘密鍵で署名されます
• トランザクションはBitcoinネットワークにブロードキャストされ、メモリに収集されます
• マイナーはトランザクションを選択し、それらを候補ブロックに束ねます
• 各マイナーは、有効なハッシュが見つかるまでブロックヘッダーを繰り返しハッシュすることにより、作業証明を実行します
• 有効なハッシュを見つけた最初の鉱山労働者は、ブロックをピアにブロックします
• ノードの受信作業証明を確認し、すべてのトランザクションを確認し、ブロックのハッシュを確認します
• 有効な場合、ノードはブロックをブロックチェーンのローカルコピーに追加します
• ネットワークはこのブロックに構築され続け、コンセンサスを強化しています

このプロセスにより、一部の鉱夫が無効なブロックを提出しようとしたとしても、ノードの大部分がそれらを拒否し、ネットワーク全体で合意を維持することが保証されます。

よくある質問

ブロックチェーンが許容できる悪意のあるノードの最大数はいくらですか？ビザンチンの断層耐性コンセンサスアルゴリズムを使用したブロックチェーンは、通常、ノードの最大3分の1が悪意を持っていることに耐えることができます。たとえば、PBFTでは、33％未満のノードが欠陥または敵対的である限り、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ります。

ブロックチェーンは、単一のノードがトランザクション履歴について嘘をつくのをどのように妨げますか？元帳を制御する単一のノードはありません。すべてのノードは、ブロックチェーンの完全なコピーを維持し、各ブロックを独立して検証します。ノードが誤ったバージョンを提示しようとする場合、他のノードはハッシュチェーンまたは無効なデジタル署名の矛盾を検出し、それを拒否します。

ビザンチンの失敗に対して作業の証明が効果的であるのはなぜですか？作業の証明は、現実世界の計算コストとコンセンサスを結び付けます。攻撃者は、一貫してコンセンサスを無効にするために、ネットワークのハッシュパワーの50％を制御する必要があります。これは、法外に高価で検出可能です。

ほとんどのノードがオフラインである場合、ブロックチェーンは安全なままになりますか？はい、ブロックを検証および伝播するために十分な数の正直なノードがアクティブなままである限り。ネットワークは動的参加で動作するように設計されており、残りのノードがプロトコルに正しく従う場合、コンセンサスを達成できます。