Byzantská tolerancia chýb v blockchaine

Za posledných niekoľko desaťročí sa odvetvie kryptomien výrazne rozrástlo. Neustále sa objavujú nové projekty, ktoré nútia vývojárov hľadať nové spôsoby riešenia existujúcich problémov v tomto odvetví. Jeden pomerne bežný termín je mechanizmus konsenzu BFT. BFT je skratka pre Byzantine Fault Tolerance a považuje sa za ňu teoretický problém počítačových systémov, s ktorým sa museli tvorcovia vysporiadať dávno pred objavením sa Bitcoinu.

Mnohí vývojári protokolov založených na blockchaine však riešia problémy s byzantskou toleranciou chýb, preto sa pozrime na povahu problému a dôsledky, ktorým čelíme, keď tento problém nastane.

Problém byzantskej tolerancie chýb

Problém Byzantská tolerancia chýb je jednou z najčastejšie uvažovaných teoretických situácií pri diskusii o nuansách konsenzu. Tento problém bol prvýkrát uznaný ako existujúci v štúdii „Major Problems of Byzantine Failure“ od Leslie Lappport, Robert Szostak a Marshall Pease, ktorá vyšla v roku 1982.

Štúdia zistila:

Spoľahlivý počítačový systém si musí poradiť so zlyhaním jedného alebo viacerých komponentov. Zlyhaný komponent sa môže správať spôsobom, ktorý sa často prehliada, a to odosielaním protichodných informácií do rôznych častí systému. Problém riešenia tohto druhu zlyhania sa abstraktne nazýva „Všeobecný problém tolerancie byzantských chýb“.

Názov pochádza z analógie prezentovanej v štúdii.

Presnejšie, autori popisujú teoretickú situáciu, v ktorej niekoľko jednotiek byzantskej armády bolo umiestnených mimo nepriateľského mesta. Každý oddiel mal svojho veliteľa a každý oddiel bol v samostatnom tábore. Velitelia museli vymyslieť plán spoločnej akcie (postup alebo ústup), no komunikovať mohli len cez poslov. Na druhej strane by sa medzi generálmi mohli nachádzať zradcovia, ktorí by mohli zabrániť lojálnym generálom dosiahnuť spoločného menovateľa (konsenzus).

Preto generáli museli nájsť spôsob, ako zabezpečiť, aby:

• všetci lojálni generáli sa riadia rovnakým akčným plánom,
• malá hŕstka zradcov nebude schopná zabrániť generálom prijať správny plán.

Hovoríme teda o systéme, ktorý dokáže vyriešiť vyššie popísaný problém a je to tzv Byzantské riešenie odolnosti voči poruchám (BFS). Odtiaľ pochádza konsenzuálny algoritmus BFT. Celkovo riešenie Byzantine Fault Tolerance zabraňuje zlyhaniu systému v dôsledku nespoľahlivých (neplatných) účastníkov.

Riešenie problému byzantských generálov

Na vyriešenie problému byzantských generálov a vytvorenie riešenia byzantskej tolerancie chýb (FTS) musí väčšina generálov použiť rovnakú stratégiu. To sa dosahuje rôznymi spôsobmi v závislosti od povahy systému a jeho účelu. V blockchaine môžu dva mechanizmy, proof-of-stake a proof-of-work, dosiahnuť konsenzus o byzantskom núdzovom riešení pomocou rôznych prístupov.

Väčšina blockchainov typu proof-of-stake môže fungovať, keď jedna tretina jeho existujúcich uzlov zlyhá, čím sa uvoľní pravidlo "3f+1", kde F i označuje počet nepracujúcich uzlov. Samotný vzorec vypočítava počet uzlov, ktoré musia byť prítomné v systéme, aby správne fungoval.

Napríklad, aby sa splnilo pravidlo (3f+1), v systéme so 4 uzlami musia byť tri uzly plne funkčné.

Ako môže blockchain vyriešiť tento problém?

Technológia založená na blockchaine by mala niekoľko spôsobov, ako vyriešiť problém byzantských generálov. Jediným rozdielom je potrebný konsenzuálny algoritmus a spôsob aplikácie BFTS. Na strane proof-of-work aj proof-of-stake možno nájsť rôzne riešenia.

Zaujímavé je, že Satoshi Nakamoto nespomenul „problém byzantských generálov“ v pôvodnej bielej knihe o bitcoinoch. Po spustení siete Bitcoin však neznámy tvorca prvej kryptomeny navrhol riešenie spomínaného problému pomocou konsenzu „proof-of-work“. Satoshi vytvoril spôsob, ako využiť kryptografické zabezpečenie a šifrovanie verejným kľúčom v digitálnej sieti. Aby sa zabránilo akémukoľvek úniku dát, kryptografické zabezpečenie využíva hashovanie a identita používateľa siete sa overuje pomocou verejného kľúča.

Transakcie sú zachytené v blokoch, ktoré sú prepojené so zvyškom na úkor hashovania a sú kryptograficky chránené. Treba tiež poznamenať, že blockchain používa Merkle strom na overenie hashov pochádzajúcich z hlavného bloku. Každý blok pochádzajúci z bloku genesis je platný. Tieto bloky overujú ťažiari, ktorí riešia kryptografické hádanky v súťaži o vytváranie konsenzuálnych blokov.

Bitcoin zaviedol jasný a definitívne objektívny súbor pravidiel, ktoré musí blockchain dodržiavať, aby prekonal problém byzantských generálov. Účastník siete musí zverejniť dôkaz o práci, aby mohol pridať informácie do blockchainu (preto doklad o práci). To je pre účastníka nákladné a odrádza ho to od zdieľania nepravdivých informácií, pretože to budú vyvrátené ostatnými účastníkmi siete.

Všetky pravidlá sú jasné a objektívne, čo znamená, že informácie nemožno meniť.

A čo dôkaz o stávke?

Siete riadené konsenzuálnym algoritmom proof-of-stake nie sú založené na ťažbe, ale na stakingu. Aby sa používateľ stal overovateľom siete, musí najprv vložiť prostriedky do systému. Tí, ktorí majú väčší podiel, môžu tiež zaviazať viac blokov a získať väčšie odmeny. Tí, ktorí sa pokúšajú falšovať informácie, riskujú stratu svojho podielu.

Rôzne systémy riešia tento problém rôznymi spôsobmi. Napríklad Ethereum 2.0 používa Casperov algoritmus. To si vyžaduje aspoň dve tretiny väčšiny uzlov súhlasili s daným blokompred vytvorením a pridaním do siete.

Existujú rôzne pokusy o vyriešenie problému v závislosti od potreby systému a prístupu tímu. Napríklad s delegovaným preukázaním účasti (dPoS) sa konsenzus dosiahne oveľa rýchlejšie. Na druhej strane niektoré systémy v praxi využívajú byzantskú toleranciu chýb.