Задача візантійських генералів: як її розв’язують різні протоколи

Завдання візантійських генералів було запропоноване як математична модель для розв’язання проблеми консенсусу у системах із потенційно ненадійними учасниками. Уявіть групу генералів, які командують арміями та мають ухвалити спільне рішення — атакувати чи відступити. Вони спілкуються через кур'єрів, але деякі генерали можуть бути зрадниками, які навмисно надсилають суперечливу або хибну інформацію. Завдання — забезпечити, щоб усі чесні генерали ухвалили єдине рішення, навіть за наявності зрадників.

Консенсус у блокчейн-мережах — це процес, за допомогою якого учасники (вузли) досягають єдності щодо стану реєстру транзакцiй. Протоколи консенсусу дозволяють забезпечити надійність і безпеку системи, навіть якщо деякі учасники поводяться ненадійно або зловмисно. Розглянемо детальніше найбільш популярні та надійні протоколи консенсусу, які розв’язують проблему візантійських генералів.

У 2008 році творець біткоїна Сатоші Накамото запропонував розв’язання завдання візантійських генералів. Він розробив протокол біткоїна і реалізував алгоритм консенсусу Proof-of-Work (PoW). Це дало змогу виключити елемент довіри, встановивши чіткі правила досягнення консенсусу (договору) між вузлами розподіленої мережі біткоїна (генералами).

Proof-of-Work (PoW) — це перший і найпоширеніший механізм консенсусу. Його принцип заснований на тому, що учасники мережі повинні розв’язати складну математичну задачу, щоб створити новий блок. Перший, хто успішно розв'язав задачу, має право додати блок до блокчейну та отримує винагороду — нові монети.

Учасники (майнери) обчислюють хеш-значення певних даних. Це процес, який вимагає суттєвих обчислювальних ресурсів. Коли майнер знаходить правильний хеш, він передає його іншим учасникам для перевірки. Якщо більшість підтверджує правильність результату, блок додається до блокчейну.

PoW гарантує, що більшість обчислювальної потужності контролюється чесними учасниками. Якщо зловмисник хоче змінити стан блокчейну, йому потрібно отримати більше ніж 50% обчислювальної потужності мережі, що є дуже складним та ресурсозатратним завданням. Такий спосіб атаки називається «Атака 51%» і найчастіше трапляється на менш захищених або невеликих блокчейнах, де обчислювальна потужність мережі є порівняно низькою. 

У випадку із Bitcoin атака 51% практично неможлива через величезний хешрейт мережі, що вимагає колосальних ресурсів для захоплення більшості обчислювальної потужності. Навіть найбільші майнінгові пули не здатні досягти такого домінування, а вартість обладнання, електроенергії та інфраструктури зробила б атаку фінансово невигідною. Крім того, успіх атаки міг би знецінити Bitcoin, що призвело б до втрати інтересу до нього, роблячи зусилля нападника марними.

Proof-of-Stake (PoS) — це альтернатива PoW, яка працює за принципом, що учасники мережі «заморожують» свої монети як заставу. Що більше монет у користувача, то вища ймовірність, що саме він одержить право створити новий блок і отримати винагороду. У PoS учасники мотивовані діяти чесно, оскільки зловмисне поводження призводить до втрати їхніх монет (застави). Якщо валідатор намагається маніпулювати блоками, його ставку конфіскують.

Practical Byzantine Fault Tolerance (PBFT) — це протокол, що був розроблений для забезпечення консенсусу в системах, де може бути до третини зловмисних учасників. PBFT використовується в приватних або консорціумних блокчейнах, де учасники зазвичай є добре відомими.

Протокол працює через багатоступеневий процес голосування. Кожен учасник мережі підтверджує отриману транзакцію, а потім всі учасники голосують, чи є ця транзакція вірогідною. Якщо більшість учасників погоджується, транзакція додається до блокчейну. 

PBFT дозволяє досягти консенсусу навіть за наявності зрадників, оскільки механізм голосування базується на перевірці вірогідності транзакцій через численні етапи, що ускладнює можливість маніпуляцій.

Читати також: Атака Сивіли: роздвоєння особи у блокчейні

У децентралізованих системах, таких як блокчейни, відсутній центральний орган, який підтверджує транзакції або координує дії учасників. Це означає, що всі вузли мають самостійно перевіряти інформацію та доходити до єдиного рішення про те, які транзакції є дійсними. 

Завдання візантійських генералів є основою для розуміння того, як децентралізовані мережі криптовалюти досягають консенсусу в умовах, коли деякі учасники можуть бути нечесними або порушувати правила. Різні протоколи консенсусу, як Proof-of-Work, Proof-of-Stake та PBFT, пропонують різні підходи для розв’язання цієї проблеми.