Какво представлява практическата византийска толерантност към вина? Пълно ръководство за начинаещи

Консенсусните модели са основен компонент на разпределените блокчейн системи и определено един от най-важните за тяхната функционалност. Те са гръбнакът за потребителите да могат да си взаимодействат помежду си по недоверен начин, а правилното им внедряване в криптовалутни платформи създаде ново разнообразие от мрежи с изключителен потенциал.

В контекста на разпределените системи, Византийска толерантност към грешки е способността на разпределена компютърна мрежа да функционира по желание и правилно да постигне достатъчен консенсус, въпреки че злонамерените компоненти (възли) на системата се провалят или разпространяват неправилна информация на други връстници.

Целта е да се защити срещу катастрофални системни откази чрез смекчаване на влиянието на тези злонамерени възли върху правилната функция на мрежата и правилния консенсус, постигнат от честните възли в системата.

Получено от Проблем на византийските генерали, тази дилема е широко проучена и оптимизирана с разнообразен набор от решения на практика и се развива активно.

Проблем на византийските генерали, Изображение от Дебраж Гош

Практическата византийска толерантност към грешки (pBFT) е една от тези оптимизации и е представена от Мигел Кастро и Барбара Лисков в академичен труд през 1999 г., озаглавен „Практическа византийска толерантност към грешки”.

Тя има за цел да подобри оригиналните механизми за консенсус на BFT и е внедрена и подобрена в няколко съвременни разпределени компютърни системи, включително някои популярни блокчейн платформи.

Преглед на практическата византийска толерантност към грешки

Моделът pBFT се фокусира основно върху предоставянето на практическа репликация на византийски автомат, която толерира византийски грешки (злонамерени възли) чрез предположение, че има независими откази на възли и манипулирани съобщения, разпространявани от конкретни, независими възли.

Алгоритъмът е проектиран да работи в асинхронни системи и е оптимизиран да бъде високоефективен с впечатляващо време на изпълнение и само леко увеличение на латентността.

• По същество всички възли в модела pBFT са подредени в последователност, като единият възел е основният възел (лидер), а останалите са посочени като резервни възли.
• Всички възли в системата комуникират помежду си и целта е всички честни възли да постигнат съгласие за състоянието на системата чрез мнозинство.
• Възлите комуникират интензивно помежду си и не само трябва да доказват, че съобщенията идват от конкретен партньорски възел, но също така трябва да проверят дали съобщението не е модифицирано по време на предаването.

Практическа византийска толерантност към грешки, Изображение от Altoros

За да работи pBFT моделът, се приема, че количеството злонамерени възли в мрежата не може едновременно да се равнява или надвишава ⅓ от общите възли в системата в даден прозорец на уязвимост.

Колкото повече възли в системата, толкова по-малко математически малко вероятно е число, приближаващо се до ⅓ от общите възли, да бъде злонамерено. Алгоритъмът ефективно осигурява както жизненост, така и безопасност, стига най-много (n-1) / ⅓), където n представлява общо възли, да са злонамерени или да са дефектни едновременно.

Последващият резултат е, че в крайна сметка отговорите, получени от клиентите от техните искания, са верни поради линейност.

Всеки кръг от консенсус на pBFT (наречен мнения) се свежда до 4 фази. Този модел следва по-скоро формат „Командир и лейтенант“, отколкото чист проблем на византийските генерали, където всички генерали са равни, поради наличието на възел на водача. Фазите са по-долу.

1. Клиент изпраща заявка до водещия възел за извикване на операция на услуга.
2. Водещият възел мултикастира заявката към резервните възли.
3. Възлите изпълняват заявката и след това изпращат отговор на клиента.
4. Клиентът очаква отговори f + 1 (f представлява максималният брой възли, които може да са дефектни) отговори от различни възли със същия резултат. Този резултат е резултат от операцията.

Изискванията към възлите са те да са детерминирани и да започват в едно и също състояние. Крайният резултат е, че всички честни възли постигат съгласие по реда на записа и те или го приемат, или го отхвърлят.

Водещият възел се променя във формат с кръгъл робин по време на всеки изглед и дори може да бъде заменен с протокол, наречен промяна на изгледа, ако е изминал определен период от време, без лидерен възел да мултикастира заявката.

Превъзходната част от честни възли може също да реши дали даден лидер е дефектен и да ги премахне със следващия лидер на линия като заместител.

Предимства и притеснения с модела pBFT

Моделът на консенсус pBFT е проектиран за практически приложения и неговите специфични недостатъци са споменати в оригиналната академична статия заедно с някои ключови оптимизации за внедряване на алгоритъма в реални системи.

Напротив, моделът pBFT предоставя някои значителни предимства пред другите модели на консенсус.

Предимства на pBFT, Изображение от Zilliqa

Едно от основните предимства на модела pBFT е способността му да осигури окончателност на транзакциите, без да е необходимо потвърждение, както в моделите Proof-of-Work като този, който биткойн използва.

Ако предложения блок е съгласуван от възлите в pBFT система, тогава този блок е окончателен. Това се позволява от факта, че всички честни възли се договарят за състоянието на системата по това конкретно време в резултат на комуникацията им помежду си.

Друго важно предимство на модела pBFT в сравнение с PoW системите е значителното му намаляване на потреблението на енергия.

В модел за доказателство за работа, като например в биткойн, се изисква PoW кръг за всеки блок. Това доведе до електрическото потребление на биткойн мрежата от миньори, съперници на малки държави на годишна база.

Какво е биткойн? Крайното ръководство за начинаещи

Тъй като pBFT не е изчислително интензивен, значително намаляване на електрическата енергия е неизбежно, тъй като майнерите не решават PoW изчислително интензивен алгоритъм за хеширане всеки блок.

Въпреки неговия ясен и обещаващи предимства, има някои ключови ограничения за механизма за консенсус pBFT. По-конкретно, моделът работи добре само в класическата си форма с малки консенсусни размери на групите поради тромавото количество комуникация, което се изисква между възлите.

В статията се споменава използването на цифрови подписи и MAC (кодове за удостоверяване на метода) като формат за удостоверяване на съобщения, но използването на MAC е изключително неефективно с количеството комуникация, необходимо между възлите в големи консенсусни групи като мрежи за криптовалута, а с MAC има присъща неспособност да се докаже автентичността на съобщенията на трета страна.

Въпреки че цифровите подписи и мултисигналите осигуряват значително подобрение в сравнение с MAC, преодоляването на комуникационните ограничения на модела pBFT, като същевременно се поддържа сигурността, е най-важното развитие, необходимо за всяка система, която иска да я прилага ефективно.

Моделът pBFT също е податлив на атаки на сибил където една страна може да създаде или манипулира голям брой самоличности (възли в мрежата), като по този начин компрометира мрежата.

Това е смекчено с по-големи размери на мрежата, но мащабируемостта и способността за висока пропускателна способност на модела pBFT е намалена с по-големи размери и по този начин трябва да бъде оптимизирана или използвана в комбинация с друг консенсусен механизъм.

Платформи, внедряващи оптимизирани версии на pBFT днес

Днес има шепа блокчейн платформи, които използват оптимизирани или хибридни версии на pBFT алгоритъма като свой консенсусен модел или поне част от него, в комбинация с друг консенсусен механизъм.

Zilliqa

Zilliqa използва силно оптимизирана версия на класически pBFT в комбинация с PoW консенсус около всеки ~ 100 блока. Те използват мултиподписи за намаляване на комуникационните разходи на класическия pBFT и в собствените си тестови среди са достигнали TPS от няколко хиляди с надеждата да се мащабират още повече, тъй като са добавени още възли.

Това също е пряк резултат от тяхното внедряване на pBFT в рамките на архитектурата им за шардинг, така че групите за консенсус pBFT остават по-малки в рамките на конкретни парчета, като по този начин запазват високопроизводителния характер на механизма, като същевременно ограничават размера на групата на консенсус.

Хиперледгер

Плат Hyperledger е среда за сътрудничество с отворен код за блокчейн проекти и технологии, която се хоства от Linux Foundation и използва разрешена версия на алгоритъма pBFT за своята платформа.

Тъй като разрешените вериги използват малки консенсусни групи и не е необходимо да постигат децентрализация на отворени и публични блокчейн като Ethereum, pBFT е ефективен консенсусен протокол за предоставяне на транзакции с висока производителност, без да е необходимо да се притеснявате за оптимизиране на платформата за мащабиране до големи консенсусни групи.

Освен това разрешените блокчейни са частни и чрез покани с известна самоличност, така че доверието между страните вече съществува, смекчавайки присъщата нужда от ненадеждна среда, тъй като се предполага, че по-малко от ⅓ от известните страни умишлено би компрометирала системата.

Заключение

Византийската толерантност към неизправности е добре проучена концепция в разпределените системи и нейната интеграция чрез практическия византийски алгоритъм за толерантност към неизправности в реални системи и платформи, независимо дали чрез оптимизирана версия или хибридна форма, остава ключов инфраструктурен компонент на криптовалутите днес.

Тъй като платформите продължават да се развиват и иновации в областта на консенсусни модели за широкомащабни публични блокчейн системи, предоставянето на усъвършенствани византийски механизми за толерантност към неизправности ще бъде от решаващо значение за поддържането на целостта на различните системи и тяхното недоверие.