В распределенных вычислениях существует серьезная проблема, называемая проблемой византийских генералов. В двух словах, эта проблема возникает, когда нескольким системам внутри сети необходимо соединиться, но каналы связи и сообщения не могут быть полностью доверенными. Почему возникает эта проблема и как ее можно решить?

В этой статье мы расскажем о проблеме византийских генералов и о том, как биткойн помогает ее решить.

Византийская проблема генералов

Предположим, что вы — генерал в армии Византийской империи.  Вокруг вражеского города расположились лагерем несколько других армий, и вы все пытаетесь понять, когда нанести удар. Нападение в одно и то же время принесет пользу обеим сторонам. Отступление будет успешным, если обе стороны будут отступать вместе. Если только один из вас атакует, а другие отступают, вы потерпите неудачу и потеряете много людей на своей стороне.

Проблема заключается в коммуникации генералов, потому что для связи друг с другом каждая армия использует одного и того же гонца. Курьер может перемещаться между армиями, только пробираясь мимо вражеского города, что делает гонца ненадежным, потому что нет возможности узнать, точно ли полученное вами сообщение. Гонец может быть похищен, генерал может оказаться предателем, или вы вообще можете не получить никаких новостей.

Эта ситуация является важнейшей трудностью в распределенных вычислениях и многоагентных системах, в которых многочисленные методы не могут достичь 100% уверенного согласия.

Византийская отказоустойчивость

Византийская отказоустойчивость — это термин для обозначения признака, приведенного выше. Это один из самых проблематичных типов компьютерных сбоев, потому что он включает в себя случаи, когда одна часть системы кажется одновременно и работающей, и неработающей для остальной части системы.

Деньги — отличный пример дилеммы византийского генерала. Как сообщество может создать денежную систему, в которую все верят и которую все принимают? На протяжении большей части истории общества использовали в качестве валюты драгоценные металлы или другие редкие вещи, такие как ракушки или стеклянные бусы.

Поскольку золото пользовалось доверием и признанием в децентрализованных институтах, таких как международная торговля, оно решило проблему византийских генералов.

PoW Биткойна: решение проблемы византийских генералов

До появления биткойна предпринимались различные попытки, такие как Bit Gold Ника Сабо, создать децентрализованные цифровые деньги. Однако все они потерпели неудачу, поскольку не смогли успешно реализовать отказоустойчивый алгоритм византийских генералов. Сатоши Накамото (отец биткойна) решил эту проблему, включив в протокол биткойна особый тип механизма консенсуса, известный как «консенсус Накамото».

Другими словами, узлы в системе консенсуса Накамото требуют некоторого «участия в игре», чтобы стимулировать их к честному участию в системе. Доказательство работы (POW), часто известное как «майнинг», — это консенсус Накамото, используемый в Биткойне.

Участники, известные как «майнеры», в этой системе выделяют значительное количество вычислительной мощности для решения криптографически сложных задач. Такое использование ресурсов называется «трудом». Это кожа, используемая майнерами в игре.

Криптографическая безопасность использует хэширование, процесс кодирования, для предотвращения манипулирования данными. Личность пользователя сети проверяется с помощью шифрования открытым ключом.

В криптографической безопасности транзакция закрепляется в блоке, который связан с другими блоками своим хэш-значением. Все хэши могут быть отслежены до начального блока, который является корнем всех хэшей. Блокчейн — это система, которая проверяет хэши от начального блока с помощью дерева Меркла.

Поскольку правила объективны, в сети Биткойн не может быть разногласий или манипуляций с информацией. Как механизм определения того, кто имеет право генерировать новый Биткойн, так и законы, определяющие, какие транзакции являются действительными или недействительными, являются целями. Кроме того, после добавления блока в блокчейн его трудно стереть, что делает историю Биткойна необратимой.

В результате майнеры, которые сродни генералам в версии блокчейна Сатоши, решают проблему византийских генералов.

Proof-of-stake (PoS): новое решение проблемы византийских генералов

Другим механизмом консенсуса блокчейна, направленным на решение проблемы византийских генералов, является PoS. Впервые он был использован в 2012 году. В отличие от сетей на основе PoW, сети PoS не полагаются на майнинг криптовалюты; вместо этого используется метод, известный как стейкинг.

Эта система финансируется пользователями (известными как валидаторы). Валидаторы, имеющие больше валюты в блокчейне, могут подтверждать больше блоков и получать большее вознаграждение. Пользователи, которые пытаются подтвердить ошибочные транзакции, рискуют потерять свои деньги.

В сети на основе PoW пользователи могут делать ставки, используя обычные домашние компьютеры, а не специализированные устройства. В некоторых сетях на основе PoS были разработаны методы, позволяющие избежать атак двойного расходования средств и других недостатков безопасности, вызванных византийскими сбоями.

Краткие выводы

Технологию блокчейн окрестили «новым интернетом ценностей», и ожидается, что она произведет революцию в том, как мы совершаем сделки и взаимодействуем с предприятиями. Благодаря децентрализованным системам и распределенной власти она представляет собой метод получения консенсуса и достижения соглашения о состоянии дел.

Биткойн и другие криптовалюты являются примерами использования технологии блокчейн. Потенциал блокчейна для установления доверия (без привлечения третьей стороны) является его самым ценным активом. Участники, которые могут не доверять друг другу, могут взаимодействовать, будучи уверенными в том, что данные, передаваемые между ними, будут проверены и аутентифицированы разрозненной сетью. Блокчейн используется в самых разных областях, включая недвижимость, здравоохранение, образование, финансы, логистику. Криптографическая безопасность, шифрование с открытым ключом произведут революцию в мире.