Tolerància a les falles bizantines pràctiques

Els models de consens són un component principal dels sistemes de cadena de blocs distribuïts i, sens dubte, un dels més importants per a la seva funcionalitat. Són l’eix vertebrador perquè els usuaris puguin interactuar entre ells d’una manera poc fiable i la seva correcta implementació en plataformes de criptomonedes ha creat una nova varietat de xarxes amb un potencial extraordinari.

En el context de sistemes distribuïts, Tolerància a les falles bizantines és la capacitat d’una xarxa informàtica distribuïda per funcionar com es desitgi i assolir correctament un consens suficient malgrat els components maliciosos (nodes) del sistema fallin o propaguen informació incorrecta a altres companys.

L’objectiu és defensar-se de fallades catastròfiques del sistema mitigant la influència que tenen aquests nodes maliciosos sobre el correcte funcionament de la xarxa i el consens adequat que assoleixen els nodes honestos del sistema..

Derivat del Problema dels generals bizantins, aquest dilema ha estat àmpliament investigat i optimitzat amb un conjunt divers de solucions a la pràctica i que s’està desenvolupant activament.

Problema dels generals bizantins

Byzantine Generals ’Problem, imatge de Debraj Ghosh

La pràctica tolerància a fallades bizantines (pBFT) és una d’aquestes optimitzacions i va ser introduïda per Miguel Castro i Barbara Liskov en un document acadèmic el 1999 titulat “Tolerància a les falles bizantines pràctiques”.

Té l’objectiu de millorar els mecanismes de consens BFT originals i s’ha implementat i millorat en diversos sistemes informàtics distribuïts moderns, incloses algunes populars plataformes blockchain.

Una visió general de la tolerància pràctica a les falles bizantines

El model pBFT se centra principalment a proporcionar una pràctica replicació de màquines d’estats bizantins que toleri les falles bizantines (nodes maliciosos) suposant que hi ha fallades de nodes independents i missatges manipulats propagats per nodes específics i independents..

L’algoritme està dissenyat per funcionar en sistemes asíncrons i està optimitzat per ser d’alt rendiment amb un temps d’execució impressionant i només un lleuger augment de la latència..

  • Essencialment, tots els nodes del model pBFT s’ordenen en una seqüència, sent un node el node principal (líder) i els altres anomenats nodes de còpia de seguretat..
  • Tots els nodes del sistema es comuniquen entre ells i l’objectiu és que tots els nodes honestos arribin a un acord sobre l’estat del sistema mitjançant una majoria.
  • Els nodes es comuniquen fortament entre ells i no només han de demostrar que els missatges provenien d’un node parell específic, sinó que també han de verificar que el missatge no s’hagi modificat durant la transmissió.

Tolerància pràctica a les falles bizantines

Tolerància pràctica a les falles bizantines, imatge de Altoros

Perquè el model pBFT funcioni, la suposició és que la quantitat de nodes maliciosos a la xarxa no pot igualar ni excedir ⅓ dels nodes generals del sistema en una finestra de vulnerabilitat determinada..

Com més nodes hi hagi al sistema, més matemàticament és improbable que un nombre que s’acosti a ⅓ dels nodes generals sigui maliciós. L’algoritme proporciona efectivament la vida i la seguretat sempre que, com a màxim (n-1) / ⅓), on n representa els nodes totals, siguin maliciosos o defectuosos al mateix temps.

El resultat posterior és que, finalment, les respostes rebudes pels clients de les seves sol·licituds són correctes linealització.

Cada ronda de consens de pBFT (anomenades vistes) es redueix a 4 fases. Aquest model segueix més un format de “Comandant i tinent” que no pas un problema de generals bizantins, en què tots els generals són iguals, a causa de la presència d’un node líder. Les fases són a continuació.

  1. Un client envia una sol·licitud al node líder per invocar una operació de servei.
  2. El node líder multiplica la sol·licitud als nodes de còpia de seguretat.
  3. Els nodes executen la sol·licitud i, a continuació, envien una resposta al client.
  4. El client espera respostes f + 1 (f representa el nombre màxim de nodes que poden ser defectuosos) respostes de diferents nodes amb el mateix resultat. Aquest resultat és el resultat de l’operació.

Els requisits per als nodes són que siguin deterministes i comencin en el mateix estat. El resultat final és que tots els nodes honestos arriben a un acord sobre l’ordre del registre i l’accepten o el rebutgen.

El node líder es canvia en un format de tipus round robin durant cada visualització i fins i tot es pot substituir per un protocol anomenat canvi de vista si ha passat un temps específic sense que el node líder multipliqui la sol·licitud..

Una gran majoria de nodes honestos també poden decidir si un líder és defectuós i eliminar-los amb el següent líder en fila com a substitut..

Avantatges i preocupacions amb el model pBFT

El model de consens pBFT es va dissenyar per a aplicacions pràctiques i les seves deficiències específiques s’esmenten a l’article acadèmic original juntament amb algunes optimitzacions clau per implementar l’algoritme en sistemes del món real..

Per contra, el model pBFT proporciona alguns avantatges significatius respecte a altres models de consens.

Beneficis de pBFT

Avantatges de pBFT, imatge de Zilliqa

Un dels avantatges principals del model pBFT és la seva capacitat per proporcionar la finalitat de la transacció sense necessitat de confirmacions, com en els models de prova de treball com el que fa servir Bitcoin.

Si els nodes acorden un bloc proposat en un sistema pBFT, aquest bloc és definitiu. Això s’aconsegueix pel fet que tots els nodes honestos estan d’acord sobre l’estat del sistema en aquell moment concret com a resultat de la seva comunicació entre ells..

Un altre avantatge important del model pBFT en comparació amb els sistemes PoW és la seva reducció significativa en l’ús d’energia.

En un model de prova de treball, com ara a Bitcoin, es requereix una ronda PoW per a cada bloc. Això ha conduït al consum elèctric de la xarxa Bitcoin per part dels miners que rivalitzen amb països petits cada any.

Què és Bitcoin? Guia completaQuè és Bitcoin? La guia definitiva per a principiants

Com que el pBFT no és intensiu computacionalment, és inevitable una reducció substancial de l’energia elèctrica, ja que els miners no resolen un algoritme de hash computacional intensiu PoW cada bloc.

Malgrat els seus avantatges clars i prometedors, hi ha algunes limitacions clau en el mecanisme de consens pBFT. Concretament, el model només funciona bé en la seva forma clàssica amb petites mides de grups de consens a causa de la molesta quantitat de comunicació que es requereix entre els nodes..

El document esmenta l’ús de signatures digitals i MACs (mètodes d’autenticació de codis) com a format per a l’autenticació dels missatges, tot i que l’ús de MACs és extremadament ineficient amb la quantitat de comunicació necessària entre els nodes en grans grups de consens, com ara xarxes de criptomonedes, i amb una incapacitat inherent per demostrar l’autenticitat dels missatges a un tercer.

Tot i que les signatures digitals i els multisig proporcionen una gran millora respecte als MAC, superar la limitació de la comunicació del model pBFT alhora que manté la seguretat és el desenvolupament més important necessari per a qualsevol sistema que vulgui implementar-lo de manera eficient.

El model pBFT també és susceptible a atacs de sibila on una sola part pot crear o manipular un gran nombre d’identitats (nodes a la xarxa), comprometent així la xarxa.

Això es mitiga amb les mides de xarxa més grans, però l’escalabilitat i la capacitat d’alt rendiment del model pBFT es redueixen amb mides més grans i, per tant, s’ha d’optimitzar o utilitzar en combinació amb un altre mecanisme de consens..

Plataformes que implementen versions optimitzades de pBFT avui

Avui en dia, hi ha un grapat de plataformes blockchain que utilitzen versions optimitzades o híbrides de l’algorisme pBFT com a model de consens o, almenys, part d’aquest, en combinació amb un altre mecanisme de consens..

Zilliqa

Zilliqa utilitza una versió altament optimitzada de pBFT clàssic en combinació amb una ronda de consens PoW cada ~ 100 blocs. Utilitzen multisignatures per reduir la sobrecàrrega de la comunicació del pBFT clàssic i, en els seus propis entorns de proves, han assolit uns TPS d’uns quants milers amb l’esperança d’escalar fins i tot per afegir més nodes.

Això també és un resultat directe de la seva implementació de pBFT dins de la seva arquitectura de distribució, de manera que els grups de consens de pBFT romanen més petits dins de fragments específics, conservant així la naturalesa d’alt rendiment del mecanisme alhora que limita la mida del grup de consens..

Zilliqa

Hyperledger

Teixit Hyperledger és un entorn de col·laboració de codi obert per a projectes i tecnologies de blockchain que s’allotja a la Linux Foundation i que utilitza una versió permesa de l’algorisme pBFT per a la seva plataforma.

Atès que les cadenes autoritzades utilitzen petits grups de consens i no necessiten aconseguir la descentralització de cadenes de blocs obertes i públiques com Ethereum, pBFT és un protocol de consens eficaç per proporcionar transaccions d’alt rendiment sense necessitat de preocupar-se per l’optimització de la plataforma a escala de grans grups de consens..

Teixit Hyperledger

A més, les cadenes de blocs autoritzades són privades i mitjançant invitació amb identitats conegudes, de manera que ja existeix confiança entre les parts, mitigant la necessitat inherent d’un entorn sense confiança, ja que s’assumeix que menys de ⅓ de les parts conegudes comprometria intencionadament el sistema..

Conclusió

La tolerància a fallades bizantines és un concepte ben estudiat en sistemes distribuïts i la seva integració a través de l’algorisme pràctic de tolerància a fallades bizantines en sistemes i plataformes del món real, ja sigui a través d’una versió optimitzada o d’una forma híbrida, continua sent un component d’infraestructura clau de les criptomonedes en l’actualitat..

A mesura que les plataformes continuïn desenvolupant-se i innovant en el camp dels models de consens per a sistemes de cadena de blocs públics a gran escala, proporcionar mecanismes avançats de tolerància a fallades bizantines serà crucial per mantenir la integritat de diversos sistemes i la seva naturalesa confiable..

Mike Owergreen Administrator
Sorry! The Author has not filled his profile.
follow me