Задача византийских генералов: как ее решают различные протоколы
Блокчейн-технологии стали основой инноваций, обеспечивая надежность даже при наличии ненадежных участников. Это достигается благодаря решению так называемой задачи византийских генералов, которая лежит в основе различных механизмов консенсуса. В этой статье мы рассмотрим суть этой задачи, решение в блокчейн-протоколах и значение для децентрализованных систем.
В мире криптовалют и блокчейна одним из ключевых вызовов является достижение консенсуса между участниками децентрализованной сети. Решение этой проблемы критически важно для безопасности, надежности и функционирования распределенных систем.
Что такое задача византийских генералов
Задача византийских генералов была предложена как математическая модель для решения проблемы консенсуса в системах с потенциально ненадежными участниками. Представьте группу генералов, которые командуют армиями и должны принять общее решение — атаковать или отступить. Они общаются через курьеров, но некоторые генералы могут быть предателями, которые намеренно отправляют противоречивую или ложную информацию. Задача — обеспечить, чтобы все честные генералы приняли единое решение, даже при наличии предателей.
В контексте блокчейна эта задача описывает необходимость достижения единства между узлами сети (нодами), даже если некоторые из них действуют некорректно или злонамеренно. Решение этой проблемы позволяет участникам сети договориться о том, какие транзакции и данные являются достоверными, а какие — нет.
Основные протоколы консенсуса в блокчейне
Консенсус в блокчейн-сетях — это процесс, с помощью которого участники (узлы) достигают единства относительно состояния реестра транзакций. Протоколы консенсуса позволяют обеспечить надежность и безопасность системы, даже если некоторые участники ведут себя ненадежно или злонамеренно. Рассмотрим подробнее наиболее популярные и надежные протоколы консенсуса, которые решают проблему византийских генералов.
Читать также: Топ-5 необычных алгоритмов консенсуса
Proof-of-Work (PoW)
В 2008 году создатель биткоина Сатоши Накамото предложил решение задачи византийских генералов. Он разработал протокол биткоина и реализовал алгоритм консенсуса Proof-of-Work (PoW). Это позволило исключить элемент доверия, установив четкие правила достижения консенсуса (договора) между узлами распределенной сети биткоина (генералами).
Proof-of-Work (PoW) — это первый и самый распространенный механизм консенсуса. Его принцип основан на том, что участники сети должны решить сложную математическую задачу, чтобы создать новый блок. Первый, кто успешно решил задачу, имеет право добавить блок в блокчейн и получает вознаграждение в виде новых монет.
Участники (майнеры) вычисляют хеш-значение определенных данных. Это процесс, который требует существенных вычислительных ресурсов. Когда майнер находит правильный хеш, он передает его другим участникам для проверки. Если большинство подтверждает правильность результата, блок добавляется в блокчейн.
PoW гарантирует, что большая часть вычислительной мощности контролируется честными участниками. Если злоумышленник хочет изменить состояние блокчейна, ему нужно получить более 50% вычислительной мощности сети, что является очень сложной и ресурсозатратной задачей. Такой способ атаки называется «Атака 51%» и чаще всего встречается на менее защищенных или небольших блокчейнах, где вычислительная мощность сети является сравнительно низкой.
В случае с Bitcoin атака 51% практически невозможна из-за огромного хешрейта сети, что требует колоссальных ресурсов для захвата большинства вычислительной мощности. Даже крупнейшие майнинговые пулы не способны достичь такого доминирования, а стоимость оборудования, электроэнергии и инфраструктуры сделала бы атаку финансово невыгодной. Кроме того, успех атаки мог бы обесценить Bitcoin, что привело бы к потере интереса к нему, делая усилия нападающего бесполезными.
Proof of Work: принцип работы и ключевые аспекты. Источник: queppelin.com
Подведем итоги:
- высокая вычислительная мощность: майнерам нужны мощные компьютеры для решения сложных задач, чтобы добавить новый блок в блокчейн;
- контроль 51% узлов: если кто-то получит контроль над большинством (51%) сети, он сможет изменять данные в своих интересах, что угрожает безопасности блокчейна;
- вознаграждение за решение: первый майнер, который решит задачу, получает криптовалюту в качестве вознаграждения, что стимулирует майнинг и поддержку сети.
Proof-of-Stake (PoS)
Proof-of-Stake (PoS) — это альтернатива PoW, которая работает по принципу, что участники сети «замораживают» свои монеты в качестве залога. Чем больше монет у пользователя, тем выше вероятность, что именно он будет иметь право создать новый блок и получить вознаграждение. В PoS участники мотивированы действовать честно, поскольку злонамеренное поведение приводит к потере их монет (залога). Если валидатор пытается манипулировать блоками, его ставку конфискуют.
Proof-of-Stake: принцип работы и ключевые аспекты. Источник: queppelin.com
Рассмотрим каждый из этих аспектов:
- валидаторы выбираются по ставке: они выбираются случайным образом, в зависимости от того, сколько криптовалюты они «заблокировали» в сети;
- атака 51%: если кто-то владеет 51% криптовалюты в сети, он может контролировать транзакции и влиять на блокчейн;
- заработок валидаторов: валидаторы получают только комиссии за подтверждение транзакций, а не вознаграждения за создание блоков.
Practical Byzantine Fault Tolerance (PBFT)
Practical Byzantine Fault Tolerance (PBFT) — это протокол, который был разработан для обеспечения консенсуса в системах, где может быть до трети злонамеренных участников. PBFT используется в частных или консорциумных блокчейнах, где участники обычно хорошо известны.
Протокол работает через многоступенчатый процесс голосования. Каждый участник сети подтверждает полученную транзакцию, а затем все участники голосуют, является ли эта транзакция достоверной. Если большинство участников соглашается, транзакция добавляется в блокчейн.
PBFT позволяет достичь консенсуса даже при наличии предателей, поскольку механизм голосования основан на проверке достоверности транзакций через многочисленные этапы, что затрудняет возможность манипуляций.
Practical Byzantine Fault Tolerance: преимущества и недостатки. Источник: slideplayer.com
Рассмотрим основные плюсы и минусы pBFT.Н3:
Преимущества:
- нет необходимости в подтверждении блоков, все транзакции являются окончательными, как только клиент получает ответ;
- значительно энергоэффективнее, чем PoW.
Недостатки:
- эффективно работает только с небольшим количеством резервных узлов-участников;
- сталкивается с проблемами, когда одна сторона подделывает несколько узлов (атака Sybil).
Читать также: Атака Сивиллы: раздвоение личности в блокчейне
Почему задача византийских генералов важна для криптовалют
В децентрализованных системах, таких как блокчейны, отсутствует центральный орган, который подтверждает транзакции или координирует действия участников. Это означает, что все узлы должны самостоятельно проверять информацию и приходить к единому решению о том, какие транзакции являются действительными.
Задача византийских генералов важна для криптовалюты, поскольку она демонстрирует, как децентрализованная сеть может достигать консенсуса даже при условии возможных злонамеренных или неисправных узлов. Решение этой задачи обеспечивает надежность и безопасность блокчейна, позволяя участникам доверять системе без необходимости доверять друг другу.
Задача византийских генералов является основой для понимания того, как децентрализованные сети криптовалют достигают консенсуса в условиях, когда некоторые участники могут быть нечестными или нарушать правила. Различные протоколы консенсуса, такие как Proof-of-Work, Proof-of-Stake и PBFT, предлагают разные подходы к решению этой проблемы.
Решение этой задачи является основой для надежности и безопасности блокчейнов, обеспечивая участников возможностью взаимодействовать без необходимости взаимного доверия.
Дарина Нестеренко
Автор
Учусь в Харьковском национальном университете имени В.Н. Каразина на 5 курсе филологического факультета, по специальности «Журналистика». В этом же университете окончила бакалавриат по специальности «Филология» украинского языка и литературы.
