実用的なビザンチンフォールトトレランス

コンセンサスモデルは分散ブロックチェーンシステムの主要コンポーネントであり、その機能にとって間違いなく最も重要なものの1つです。これらは、ユーザーが信頼できない方法で相互作用できるようにするためのバックボーンであり、暗号通貨プラットフォームへの正しい実装により、並外れた可能性を秘めた新しいさまざまなネットワークが作成されました。.

分散システムのコンテキストで, ビザンチンフォールトトレランス システムの悪意のあるコンポーネント(ノード)に障害が発生したり、他のピアに誤った情報を伝播したりしても、分散コンピュータネットワークが必要に応じて機能し、十分なコンセンサスに正しく到達する機能です。.

目的は、これらの悪意のあるノードがネットワークの正しい機能に与える影響と、システム内の正直なノードが到達する正しいコンセンサスを軽減することにより、壊滅的なシステム障害から防御することです。.

から派生 ビザンチン将軍問題, このジレンマは、実際にさまざまなソリューションのセットを使用して広範囲に調査および最適化され、積極的に開発されています。.

ビザンチン将軍問題

ビザンチン将軍問題、画像 デブラジ・ゴーシュ

実用的なビザンチンフォールトトレランス(pBFT)は、これらの最適化の1つであり、1999年にMiguelCastroとBarbaraLiskovによって「実用的なビザンチンフォールトトレランス」.

これは、元のBFTコンセンサスメカニズムを改善することを目的としており、いくつかの一般的なブロックチェーンプラットフォームを含む、いくつかの最新の分散コンピューターシステムに実装および強化されています。.

実用的なビザンチンフォールトトレランスの概要

pBFTモデルは主に、特定の独立したノードによって伝播される独立したノード障害と操作されたメッセージがあるという仮定を通じて、ビザンチン障害(悪意のあるノード)を許容する実用的なビザンチン状態マシンレプリケーションの提供に焦点を当てています。.

このアルゴリズムは、非同期システムで機能するように設計されており、パフォーマンスが向上し、優れたオーバーヘッドランタイムがあり、レイテンシーがわずかに増加するだけです。.

  • 基本的に、pBFTモデルのすべてのノードは、1つのノードがプライマリノード(リーダー)であり、他のノードはバックアップノードと呼ばれる順序で並べられます。.
  • システム内のすべてのノードは相互に通信し、目標は、すべての正直なノードが過半数を介してシステムの状態について合意に達することです。.
  • ノードは相互に通信が多く、メッセージが特定のピアノードから送信されたことを証明するだけでなく、送信中にメッセージが変更されていないことを確認する必要があります。.

実用的なビザンチンフォールトトレランス

実用的なビザンチンフォールトトレランス、Image by アルトロス

pBFTモデルが機能するためには、ネットワーク内の悪意のあるノードの数が、特定の脆弱性ウィンドウ内でシステム内のノード全体の1/3以上になることはできないと想定されています。.

システム内のノードが多いほど、ノード全体の1/3に近づく数が悪意のあるものになる可能性は数学的に低くなります。アルゴリズムは、最大で(n-1)/⅓)(nはノードの総数を表す)が同時に悪意のある、または障害がある限り、活性と安全性の両方を効果的に提供します。.

その後の結果は、最終的に、クライアントが要求から受け取った応答は、 線形化可能性.

pBFTコンセンサス(ビューと呼ばれる)の各ラウンドは、4つのフェーズになります。このモデルは、リーダーノードが存在するため、すべての将軍が平等である純粋なビザンチン将軍問題よりも「司令官と中尉」の形式に従います。フェーズは以下のとおりです.

  1. クライアントは、サービス操作を呼び出すためにリーダーノードに要求を送信します.
  2. リーダーノードは、要求をバックアップノードにマルチキャストします.
  3. ノードは要求を実行してから、クライアントに応答を送信します.
  4. クライアントは、f + 1(fは障害が発生している可能性のあるノードの最大数を表します)が異なるノードから同じ結果で応答するのを待ちます。この結果は操作の結果です.

ノードの要件は、ノードが決定論的であり、同じ状態で開始することです。最終的な結果は、すべての正直なノードがレコードの順序について合意に達し、それを受け入れるか拒否するかのいずれかです。.

リーダーノードは、すべてのビューでラウンドロビンタイプの形式で変更され、リーダーノードが要求をマルチキャストせずに特定の時間が経過した場合は、ビュー変更と呼ばれるプロトコルに置き換えることもできます。.

正直なノードの過半数は、リーダーに障害があるかどうかを判断し、次のリーダーを代わりに使用してノードを削除することもできます。.

pBFTモデルの利点と懸念事項

pBFTコンセンサスモデルは実用的なアプリケーション向けに設計されており、その特定の欠点は、アルゴリズムを実際のシステムに実装するためのいくつかの重要な最適化とともに、元の学術論文に記載されています。.

それどころか、pBFTモデルは、他のコンセンサスモデルに比べていくつかの重要な利点を提供します.

pBFTのメリット

pBFTの利点、Image by ジリカ

pBFTモデルの主な利点の1つは、ビットコインが採用しているようなプルーフオブワークモデルのように、確認を必要とせずにトランザクションのファイナリティを提供できることです。.

提案されたブロックがpBFTシステムのノードによって合意された場合、そのブロックは最終的なものです。これは、すべての正直なノードが、相互の通信の結果として、その特定の時間におけるシステムの状態に同意しているという事実によって可能になります。.

PoWシステムと比較したpBFTモデルのもう1つの重要な利点は、エネルギー使用量が大幅に削減されることです。.

ビットコインなどのプルーフオブワークモデルでは、すべてのブロックにPoWラウンドが必要です。これは、毎年、小国に匹敵する鉱山労働者によるビットコインネットワークの電力消費につながっています.

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pBFTは計算集約的ではないため、鉱夫はブロックごとにPoW計算集約型ハッシュアルゴリズムを解決していないため、電気エネルギーの大幅な削減は避けられません。.

その明確で有望な利点にもかかわらず、pBFTコンセンサスメカニズムにはいくつかの重要な制限があります。具体的には、モデルは、ノード間で必要な通信量が煩雑であるため、コンセンサスグループのサイズが小さい従来の形式でのみ適切に機能します。.

この論文では、メッセージを認証するための形式としてデジタル署名とMAC(メソッド認証コード)を使用することに言及していますが、MACを使用すると、暗号通貨ネットワークなどの大規模なコンセンサスグループのノード間で必要な通信量が非常に非効率になります。第三者へのメッセージの信憑性を証明する固有の能力の欠如.

デジタル署名とマルチシグはMACに比べて大幅な改善をもたらしますが、セキュリティを維持しながらpBFTモデルの通信制限を克服することは、効率的に実装しようとしているシステムに必要な最も重要な開発です。.

pBFTモデルも影響を受けやすい シビル攻撃 単一のパーティが多数のID(ネットワーク内のノード)を作成または操作して、ネットワークを危険にさらす可能性がある場合.

これは、ネットワークサイズが大きくなると軽減されますが、サイズが大きくなると、pBFTモデルのスケーラビリティと高スループット能力が低下するため、最適化するか、別のコンセンサスメカニズムと組み合わせて使用​​する必要があります。.

今日pBFTの最適化バージョンを実装するプラットフォーム

今日、別のコンセンサスメカニズムと組み合わせて、コンセンサスモデルまたはその少なくとも一部としてpBFTアルゴリズムの最適化バージョンまたはハイブリッドバージョンを使用するブロックチェーンプラットフォームがいくつかあります。.

ジリカ

Zilliqaは、高度に最適化されたバージョンの従来のpBFTを、約100ブロックごとのPoWコンセンサスラウンドと組み合わせて採用しています。マルチシグニチャを使用して従来のpBFTの通信オーバーヘッドを削減し、独自のテスト環境では、ノードが追加されるにつれてさらに拡張できることを期待して、数千のTPSに達しました。.

これは、シャーディングアーキテクチャ内でのpBFTの実装の直接的な結果でもあり、pBFTコンセンサスグループは特定のシャード内で小さいままであるため、コンセンサスグループのサイズを制限しながらメカニズムの高スループットの性質を維持します。.

ジリカ

Hyperledger

Hyperledgerファブリック は、Linux Foundationによってホストされ、プラットフォームに許可されたバージョンのpBFTアルゴリズムを使用する、ブロックチェーンプロジェクトおよびテクノロジー向けのオープンソースのコラボレーション環境です。.

許可されたチェーンは小さなコンセンサスグループを使用し、イーサリアムなどのオープンブロックチェーンとパブリックブロックチェーンの分散化を実現する必要がないため、pBFTは、プラットフォームを最適化して大規模なコンセンサスグループに拡張することを心配することなく、高スループットのトランザクションを提供するための効果的なコンセンサスプロトコルです。.

Hyperledgerファブリック

さらに、許可されたブロックチェーンはプライベートであり、既知のIDで招待することにより、当事者間の信頼がすでに存在し、既知の当事者の1/3未満が意図的にシステムを危険にさらすと想定されるため、信頼できない環境の本質的な必要性を軽減します。.

結論

ビザンチンフォールトトレランスは分散システムでよく研究されている概念であり、実用的なビザンチンフォールトトレランスアルゴリズムを介した実際のシステムおよびプラットフォームへの統合は、最適化されたバージョンであろうとハイブリッド形式であろうと、今日でも暗号通貨の主要なインフラストラクチャコンポーネントです。.

プラットフォームが大規模なパブリックブロックチェーンシステムのコンセンサスモデルの分野で開発および革新を続けるにつれて、高度なビザンチンフォールトトレランスメカニズムを提供することは、さまざまなシステムの整合性とその信頼できない性質を維持するために重要になります.

Mike Owergreen Administrator
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