Що таке проблема візантійських генералів?

Проблема (завдання) візантійських генералів походить з теорії ігор і зосереджується на проблемі досягнення консенсусу між суб'єктами, які мають взаємні підозри та використовують ненадійні канали зв'язку.

У цій статті досліджується концепція «проблеми візантійських генералів», її основа, її застосування до мережевих систем та грошей, а також те, як поєднання різних елементів Біткоїна дозволяє досягти найкращого консенсусу для розв'язання проблеми.

Проблема візантійських генералів особливо актуальна для розподілених обчислень, де децентралізованим сторонам важче досягти консенсусу, не покладаючись на довірену центральну сторону.

Аналогія теорії ігор побудована навколо групи генералів, які наступають на Візантію, причому кожен генерал командує окремою дивізією. Їх необхідно скоординувати, щоб атакувати місто, або відступити; якщо координація буде успішною, всі генерали атакують одночасно і перемагають, але якщо їхні дії не будуть скоординовані, вони програють.

Як генерали можуть координувати свої дії для одночасної атаки, якщо їм доводиться покладатися на посланців, яких можуть перехопити чи підкупити захисники Візантії?

Вони повинні розробити протокол, який дозволить лояльним генералам досягти міцного консенсусу у боротьбі з нечесними візантійськими генералами.

Централізовані та децентралізовані системи

Проблема візантійських генералів не виникає в централізованих системах, оскільки рішення завжди приймаються центральною владою.

Таки чином, проблема полягає у забезпеченні надійності та цілісності зв'язку між органом влади та підлеглими обʼєктами, а не у досягненні консенсусу між кількома незалежними сторонами, як у випадку з розподіленими системами. У таких системах повідомлення або команди, які надсилає орган влади, не повинні бути зловмисно змінені під час передачі.

Проблема візантійських генералів характерна лише для децентралізованих систем, де досягти згоди складніше. Мережа повинна бути спроєктована з використанням безпечних каналів зв'язку, щоб обмін повідомленнями не було перехоплено.

Історична довідка

Вплив Візантійської імперії

Хоча термін «проблема візантійських генералів» безпосередньо не пов'язаний з історичною Візантійською імперією, деякі паралелі та потенційні впливи могли призвести до виникнення цієї концепції.

Візантійська стійкість до відмов, яка використовується в розподілених обчисленнях, передбачає здатність системи справлятися з несправними або шкідливими компонентами. У цьому контексті термін «візантійський» натхненний історичними проблемами Візантійської імперії, пов'язаними з координацією дій і спілкуванням між генералами – деякі з яких могли виявитися зрадниками або не були ненадійними.

Щобільше, Візантійська імперія мала високоієрархічну структуру з децентралізованим ухваленням рішень, де за керівництво арміями відповідали різні генерали та командири. Так само вузли чи суб'єкти у розподілених системах можуть мати незалежні можливості прийняття рішень, і досягнення консенсусу поміж ними створює проблеми, які можна порівняти з координацією дій між кількома візантійськими генералами.

Паралель з Візантійською імперією у проблемі візантійських генералів забезпечує символічну основу для розуміння труднощів, які виникають при досягненні консенсусу та відмовостійкості у розподілених системах. Складна динаміка прийняття рішень та потенціал зловмисної поведінки, що спостерігаються в історичних візантійських військових кампаніях, є проблемами, які виникають у розподілених обчисленнях.

Походження проблеми візантійських генералів

Термін «проблема візантійських генералів» був введений компʼютерними вченими Леслі Лемпортом, Робертом Шостаком та Маршаллом Пізом у статті, опублікованій у 1982 році.

Національне управління з аеронавтики та дослідження космічного простору, Командування систем протиракетної оборони та Дослідницьке управління армії частково підтримали цю дослідницьку роботу. Така підтримка підкреслює важливість цього питання і те, що, крім усіх типів комп'ютерних систем, ця концепція може бути застосована до військового зв'язку.

У сучасних обчисленнях проблема візантійських генералів повинна бути вирішена, щоб забезпечити надійний зв'язок для розосередженої групи вузлів (наприклад, комп'ютерів чи інших фізичних пристроїв).

Аналогія із сучасними обчисленнями

Проблема візантійських генералів в основному торкається розподілених обчислень, оскільки досягнення консенсусу в мережі, де вузли можуть бути несправними або зловмисними, є складним завданням. Ця проблема стала поштовхом до розробки візантійських відмовостійких протоколів і алгоритмів консенсусу, які мають вирішальне значення для забезпечення надійності та узгодженості розподілених систем.

У блокчейн-системах проблема візантійських генералів вирішується у протоколах консенсусу, таких як доказ роботи (PoW), задля досягнення угоди між кількома вузлами в ненадійному середовищі. Візантійська відмовостійкість є важливою характеристикою децентралізованих блокчейн-мереж.

В галузі кібербезпеки та виявлення атак аналогія з проблемою візантійських генералів допомагає зрозуміти проблеми захисту комп'ютерних мереж від зловмисників, які можуть спробувати порушити зв'язок, підробити дані або здійснити атаки, а також допомагає виявляти та пом'якшувати такі потенційні загрози.

Проблема візантійських генералів знаходить застосування в Інтернеті речей (IoT), де численні пристрої повинні взаємодіяти для виконання завдань. Забезпечення консенсусу та координації між пристроями IoT, особливо за наявності ненадійних чи скомпрометованих вузлів, має вирішальне значення для підтримки цілісності та безпеки систем IoT.

Проблема візантійських генералів також важлива у хмарних обчисленнях для забезпечення надійності та відмовостійкості у розподілених хмарних середовищах. Візантійські відмовостійкі протоколи можуть обробляти збої та зловмисну поведінку в системах хмарних обчислень.

Популярні візантійські алгоритми відмовостійкості

Щоб невелика група зловмисників не могла порушити роботу розподіленої системи, необхідний алгоритм, який надає рішення. Було розроблено кілька алгоритмів, наприклад, візантійські відмовостійкі консенсусні протоколи, які дозволяють надійним розподіленим обчисленням справлятися з візантійськими збоями.

Практична візантійська відмовостійкість (PBFT):

Практична візантійська відмовостійкість (PBFT) – це алгоритм консенсусу в розподілених системах, який допускає до однієї третини загальної кількості візантійських вузлів, що означає, що вони можуть демонструвати довільну і потенційно шкідливу поведінку, не впливаючи на мережу.

Алгоритм гарантує, що система досягне згоди про порядок запитів у найкоротші терміни та збереже узгодженість навіть у разі візантійських збоїв. Використовуючи комбінацію цифрових підписів, тайм-аутів і підтверджень, практична візантійська стійкість до відмови гарантує, що процес консенсусу триває, навіть якщо деякі вузли несправні або шкідливі, і що система може продовжувати розвиватися, поки більшість вузлів не пошкоджені.

Федеративна Візантійська угода (FBA):

Федеративна візантійська угода (FBA) – це ще один алгоритм консенсусу у розподілених системах, розроблений для децентралізованої мережі вузлів, які можуть досягти консенсусу, не покладаючись на централізований орган влади.

FBA базується на об'єднанні незалежних вузлів у групи (федерації). Кожна федерація складається із набору вузлів, які взаємно довіряють одне одному. Алгоритм гарантує, що вузли в межах федерації узгоджують порядок і дійсність транзакцій чи подій, водночас дозволяючи різним федераціям мати окремі процеси консенсусу. Fedimint – це найвідоміша федерація та протокол з відкритим вихідним кодом для транзакцій та зберігання біткоїна, який використовує візантійський стійкий до відмови алгоритм консенсусу (HBBFT).

Біткоїн-рішення – доказ роботи

Хоча механізм консенсусу «доказу роботи» (PoW) Біткоїна технічно не є візантійським відмовостійким алгоритмом, він використовується для забезпечення візантійської відмовостійкості Біткоїна. Вузли мережі не можуть оголосити блок дійсним, якщо він не містить хеш доказу роботи, що вказує на те, що для його створення була виконана робота.

Візантійська стійкість до відмови вимагає «терпимості» до певної кількості несправних або шкідливих вузлів у мережі під час досягнення консенсусу. Механізм консенсусу PoW Біткоїна пропонує імовірнісну остаточність, а це означає, що чим довшим стає блокчейн, тим складніше зловмиснику стає здійснити атаку і переписати чи змінити історію.

Порівняння алгоритмів BFT:

Доступно кілька алгоритмів візантійської стійкості до відмов (BFT), кожен з яких має свої власні характеристики, компроміси й придатність для різних варіантів використання.

Вибір алгоритму BFT залежить від таких факторів, як продуктивність, стійкість до відмов, масштабованість, остаточність транзакцій, характеристики мережі та припущення про довіру, які підходять для різних блокчейнів, від мереж з дозволами або без дозволів до розподілених баз даних або файлових систем.

Проблема візантійських генералів у комп'ютерних мережах

Існує кілька причин, через які у розподіленій комп'ютерній системі можуть виникнути неминучі візантійські збої, і вони не завжди є скоординованими зловмисними атаками. Від дефекту програмного забезпечення до несправності обладнання – вузли можуть переживати різні сценарії, які заважають досягти консенсусу в розподілених мережах.

У white paper Біткоїна 2008 року було запропоновано розв'язання проблеми інформатики візантійських генералів:

«Суто однорангова версія електронних грошей дозволить двом сторонам відправляти онлайн-платежі безпосередньо, минаючи фінансову установу», – підкреслює у статті Сатоші Накамото.

Він створив глобальну грошову систему, яка вперше в історії не вимагає довіри, запрограмовану на те, щоб дестимулювати погану поведінку і натомість заохочувати вузли та майнерів діяти чесно.

Гроші та проблема візантійських генералів

Аналогію з проблемою візантійських генералів можна поширити на гроші та фінансові операції, особливо у контексті децентралізованих цифрових валют, таких як біткоїн.

Як фінансові транзакції можуть виконуватися в безпечному середовищі, що не вимагає довіри, без необхідності в центральному органі для перевірки та завершення передачі цінності, ще й за наявності візантійської проблеми?

Щоб розв'язати проблему візантійських генералів, гроші повинні не вимагати довіри, бути перевіреними, безпечними, прозорими, децентралізованими та стійкими до підробок. Біткоїн був розроблений з урахуванням цих атрибутів, які є його фундаментальними принципами, що призвело до революційного розв'язання проблеми візантійських генералів.

Біткоїн-рішення

1. Блокчейн розв'язує проблему подвійних витрат

Біткоїн запобігає подвійним витратам, використовуючи блокчейн, публічний і розподілений реєстр, в якому зберігається історія всіх транзакцій і правда, яку всі сторони (вузли) повинні схвалити для розв'язання проблеми візантійських генералів.

Подвійні витрати передбачають можливість витратити ту саму одиницю цифрової валюти більше разу, що підірве цілісність і цінність валюти.

Така мережа вузлів необхідна для перевірки володіння біткоїном за допомогою механізмів консенсусу та криптографічних методів (таких як цифрові підписи), які розв'язують проблему подвійних витрат без центрального органу.

Візантійські відмовостійкі протоколи консенсусу в блокчейн-системах допомагають запобігти подвійним витратам, встановлюючи згоду про порядок і дійсність транзакцій. Довіра покладається на базовий протокол і мережевий консенсус, а не на центрального посередника.

2. Proof-of-Work розв'язує проблему візантійських генералів

Доказ роботи потребує багато енергії, праці та витрат для створення нового блоку. Цей доказ обчислювальної роботи допомагає захистити мережу від фішингових атак, гарантуючи, що додавання нових блоків у ланцюжок вимагає ресурсів та витрат.

Учасники мережі, які публікують неправдиву інформацію, будуть негайно виявлені всіма вузлами, які визнають її недійсною та проігнорують. Біткоїн – це система, яка не вимагає довіри, оскільки кожен вузол може перевіряти всю інформацію в мережі без необхідності довіряти іншим членам.

Висновок

У міру того, як суспільство наближається до використання розподілених систем і приймає децентралізовані гроші, такі як біткоїн, підхід «проблеми візантійських генералів» стає важливим для координації дій безлічі незалежних сторін, без покладань на центральну владу.

Щоб бути успішними, системи повинні забезпечувати візантійську відмовостійкість і гарантувати стійкість і безпеку – навіть за наявності помилкової інформації – щоб можна було досягти консенсусу, попри можливість обману та зради з боку деяких сторін.

Біткоїн ідеально підходить для забезпечення надійного середовища для боротьби з атаками. Його алгоритм доказу роботи захищає безпеку мережі, сприяючи конкуренції між майнерами, що унеможливило контроль над мережею для будь-якого окремого суб'єкта з обчислювальної точки зору. Ця децентралізована природа Біткоїна, підкріплена візантійською відмовостійкістю, демонструє надійну модель забезпечення консенсусу та безпеки серед потенційної дезінформації та злих намірів.