ブロックチェーンのPBFTコンセンサスはどのように機能しますか？

PBFTは、3F+1ネットワークの故障したノードに許容する、準備、準備、コミットの3つのフェーズを通じて、ブロックチェーンのセキュリティと効率を保証します。

2025/04/14 01:49

ブロックチェーンのPBFTコンセンサスの紹介

実用的なビザンチン断層トレランス（PBFT）コンセンサスメカニズムは、特定のブロックチェーンネットワークの重要なコンポーネントであり、一部のノードが悪意を持って故障したり行動したりしても、システムが動作して安全なままであることを保証します。 PBFTはもともとビザンチン断層を処理するように設計されていました。ここでは、分散システムのノードが悪意を持って動作するなど、予測不可能な方法で失敗する可能性があります。ブロックチェーンのコンテキストでは、PBFTは分散型台帳の完全性と一貫性を維持するのに役立ちます。この記事では、 PBFTがブロックチェーンネットワーク内でどのように機能するかについての複雑さを説明し、そのフェーズ、利点、および運用の詳細を調査します。

PBFTの3つのフェーズ

PBFTは、準備、準備、コミットの3つの主要なフェーズで動作します。各フェーズは、ネットワーク内のノード間でコンセンサスに到達するために不可欠です。

事前準備フェーズ

プレペアフェーズでは、新しいブロックの提案を担当するプライマリノードは、ネットワーク内の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ます。このメッセージには、提案されたブロックとシーケンス番号が含まれており、ノードが正しい順序でブロックを処理することを確認します。プレペア前のメッセージは、コンセンサスプロセスを開始し、すべてのノードが同じポイントから始まることを保証するため、重要です。

• プレペア前のメッセージをブロードキャスト：プライマリノードは、提案されたブロックとシーケンス番号を他のすべてのノードに送信します。
• メッセージを確認します：各ノードは、シーケンス番号とブロックの整合性を含む、事前準備メッセージの有効性をチェックします。

フェーズを準備します

準備段階に続いて、準備フェーズが開始されます。このフェーズでは、プレペアプレイメッセージを受信および検証したノードは、他のすべてのノードへの準備メッセージをブロードキャストします。このフェーズの目的は、提案されたブロックに十分な数のノードが一致するようにすることです。

• 準備メッセージをブロードキャストする：準備前のメッセージを検証したノードは、他のすべてのノードに準備メッセージを送信します。
• メッセージを収集するメッセージを収集します：各ノードは、しきい値に達するまで他のノードからの準備を収集します（通常は2F+1、Fはシステムが許容できる故障ノードの最大数です）。

コミットフェーズ

最終段階のコミットは、ノードがコンセンサスを最終化する場所です。メッセージを十分に準備した後、ノードはコミットメッセージをブロードキャストして、提案されたブロックをコミットする準備ができていることを示します。ノードが十分なコミットメッセージを受信すると、ブロックを確定したものと見なし、ブロックチェーンに追加します。

• コミットメッセージをブロードキャストする：十分な準備メッセージを収集したノードは、他のすべてのノードにコミットメッセージを送信します。
• コミットメッセージを収集する：各ノードは、十分なコミットメッセージを受信するまで待機します（繰り返しますが、通常は2F+1）。
• ブロックを完成させる：十分なコミットメッセージを受信すると、ノードはブロックを完成させ、ブロックチェーンに追加します。

ブロックチェーンのPBFTの利点

PBFTは、特定のブロックチェーンアプリケーションに適したコンセンサスメカニズムとなるいくつかの利点を提供します。

• 高スループット：仕事の実証（POW）などの他のコンセンサスメカニズムと比較して、PBFTはリソース集約型マイニングプロセスを必要としないため、より高いトランザクションスループットを達成できます。
• 最終性：ブロックがPBFTを通じてコミットされると、最終的なものと見なされ、フォークのリスクを減らし、より安定した元帳を確保します。
• エネルギー効率：PBFTは、ネットワークを保護するために計算能力に依存していないため、POWよりもエネルギー効率が高くなります。

PBFTの運用詳細

ブロックチェーンネットワークにPBFTを実装するには、いくつかの運用の詳細を考慮する必要があります。これらには、ノードの選択、メッセージの検証、および故障したノードの処理が含まれます。

• ノードの選択：プライマリノードは通常、ラウンドロビンの方法で、または公平性を確保し、単一のノードがコンセンサスプロセスを支配するのを防ぐための投票メカニズムを通じて選択されます。
• メッセージの検証：各ノードは、着信メッセージを検証して、その完全性と信頼性を確保する必要があります。これには、デジタル署名とシーケンス番号のチェックが含まれます。
• 故障したノードの処理：PBFTは、3F+1ノードのネットワークでF欠損ノードまで耐性を耐えることができます。ノードが故障したメッセージを検出すると、ビューの変更を開始して新しいプライマリノードを選択できます。

ブロックチェーンでのPBFTの実用的な実装

ブロックチェーンネットワークにPBFTを実装するには、いくつかの実用的な手順が含まれます。 PBFTベースのブロックチェーンシステムのセットアップと実行方法に関する詳細なガイドを以下に示します。

• ネットワークのセットアップ：ノードのネットワークを確立し、F故障したノードに耐えるために少なくとも3F+1ノードがあることを確認します。
• ノードロールの構成：最初にブロックを提案するプライマリノードを含む、ロールをノードに割り当てます。
• メッセージ処理を実装します：プレペア前の処理のためのロジックを開発し、メッセージを準備し、メッセージをコミットし、ノードがこれらのメッセージを正しく検証して応答できるようにします。
• ビューの変更を実装します：ノードがプライマリノードに障害がある疑いがある場合、ビューの変更を開始および完了するメカニズムを作成します。
• テストと検証：システムを徹底的にテストして、ノードの障害やネットワークパーティションなど、さまざまなシナリオを処理できることを確認します。

よくある質問

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、ビュー変更メカニズムを使用してネットワークパーティションを処理できます。ノードがプライマリノードが到達不可または悪意を持って動作していることを検出すると、ビューの変更を開始して新しいプライマリノードを選択できます。このプロセスにより、ネットワークの問題により一部のノードが分離されていても、ネットワークが機能し続けることができます。

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、既知のノードセットの要件により、許可またはプライベートブロックチェーンでより一般的に使用されますが、変更を伴うパブリックブロックチェーンに適合させることができます。ただし、そのスケーラビリティの制限により、株式証明（POS）などの他のコンセンサスメカニズムと比較して、大規模なパブリックネットワークには適していません。

Q：PBFTのスケーラビリティの制限は何ですか？

A：PBFTのスケーラビリティは、ネットワーク内のノードの数によって制限されます。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、すべてのノードが互いに通信するための要件は、パフォーマンスのボトルネックにつながる可能性があります。

Q：PBFTはどのようにしてブロックチェーンのセキュリティを保証しますか？

A：PBFTは、スーパーマジョリティ（3F+1ノードのうち2F+1）が各ブロックに同意することを要求することにより、ブロックチェーンのセキュリティを保証します。これにより、悪意のあるノードは、コンセンサスを破壊するためにノードの3分の1以上を制御する必要があるため、ネットワークを侵害することが困難になります。さらに、デジタル署名とメッセージ検証の使用は、改ざんを防ぎ、コンセンサスプロセスの完全性を保証するのに役立ちます。