Der Bereich der Kryptowährungen hat sich in den letzten Jahren enorm erweitert. Der Aufstieg neuer Projekte zeigt auch verschiedene Möglichkeiten auf, wie Entwickler bestehende Probleme in diesem Bereich angehen.
Ein Begriff, der oft herumgeworfen wird, ist der „BFT-Konsensmechanismus“. BFT steht für Byzantine Fault Tolerance und stellt ein theoretisches Problem in Computersystemen dar, die lange vor Bitcoin existierten.
Viele Blockchain-basierte Protokolle beschäftigen sich jedoch mit der Lösung der Probleme, die mit der byzantinischen Fehlertoleranz verbunden sind, und im Folgenden wird die Angelegenheit und alles, was sich daraus ergibt, genauer betrachtet.
Das Problem der byzantinischen Generäle erklärt
Das Problem der byzantinischen Generäle ist eine der am stärksten diskutierten theoretischen Situationen, wenn es um das Thema Konsens geht.
Das Problem wurde erstmals in einem Papier aus dem Jahr 1982 genannt Das Problem der byzantinischen Generäle von Leslie Lamport, Robert Shostak und Marshall Pease. Das Papier lautet:
Ein zuverlässiges Computersystem muss in der Lage sein, den Ausfall einer oder mehrerer seiner Komponenten zu verkraften. Eine ausgefallene Komponente kann ein Verhalten zeigen, das oft übersehen wird – nämlich das Senden widersprüchlicher Informationen an verschiedene Teile des Systems. Das Problem der Bewältigung dieser Art von Scheitern wird abstrakt als Problem der byzantinischen Generäle ausgedrückt.
Der Name leitet sich von der in der Arbeit vorgestellten Analogie ab. Genauer gesagt beschreiben die Autoren eine theoretische Situation, in der mehrere Divisionen der byzantinischen Armee außerhalb einer feindlichen Stadt lagern. Jede Division wird von einem eigenen General kommandiert, die alle in verschiedenen Lagern sitzen. Die Kommandeure müssen einen gemeinsamen Aktionsplan entwickeln (Angriff oder Rückzug), und sie können nur mit Nachrichten kommunizieren. Einige der Generäle können jedoch Verräter sein und versuchen, die loyalen Generäle daran zu hindern, eine Einigung (Konsens) zu erzielen.
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Daher müssen die Generäle einen Weg finden, um zu gewährleisten, dass:
- Alle loyalen Generäle entscheiden sich für denselben Aktionsplan.
- Eine kleine Anzahl von Verrätern kann die loyalen Generäle nicht dazu bringen, einen schlechten Plan zu verfolgen.
Ein System, das in der Lage ist, die oben genannten Probleme zu lösen, wird als byzantinische Fehlertoleranz (BFT) angesehen. Hieraus stammt der BFT-Konsensalgorithmus.
Im Wesentlichen ist die byzantinische Fehlertoleranz eine Bedingung, die verhindert, dass das System unter unzuverlässigen (unloyalen) Teilnehmern leidet.
Lösung des Problems des byzantinischen Generals
Um das Problem der byzantinischen Generäle zu lösen und die byzantinische Fehlertoleranz (BFT) zu erreichen, muss unter den Generälen eine mehrheitliche Einigung über ihre Strategie erzielt werden.
Dies wird je nach System und Bedarf auf unterschiedliche Weise erreicht. Im Zusammenhang mit Blockchain sind sowohl Proof-of-Work als auch Proof-of-Stake in der Lage, byzantinische Fehlertoleranz zu erreichen, aber der Ansatz ist bei beiden unterschiedlich.
Die meisten Proof-of-Stake-Blockchains können tolerieren, dass bis zu einem Drittel ihrer Knoten fehlerhaft sind, was Spielraum für die 3f+1 Regel wobei F die Anzahl der unloyalen Knoten ist und die Formel die Anzahl der loyalen Knoten angibt, die das System haben muss.
Beispielsweise kann in einem System mit 4 Knoten nur einer von ihnen fehlerhaft sein, um die Kriterien (3f+1) zu erfüllen.
Im Februar 1999 veröffentlichten Miguel Castro und Barbara Liskov vom Laboratory for Computer Science am Massachusetts Institute of Technology (MIT) ein Papier, in dem sie eine Lösung für das Problem durch das sogenannte Praktische byzantinische Fehlertoleranz.
Wie löst Blockchain das Problem der byzantinischen Generäle?
Blockchain-basierte Technologie bietet mehrere Lösungen für das Problem der byzantinischen Generäle. Die Unterschiede ergeben sich aus dem festgelegten Konsensalgorithmus und ihrem Ansatz für BFT, aber sowohl Proof-of-Work als auch Proof-of-Stake bieten praktikable Lösungen.
Wie löst Bitcoin das Problem der byzantinischen Generäle?
Interessanterweise erwähnte Satoshi Nakamoto im ursprünglichen Whitepaper das Problem der byzantinischen Generäle nicht, aber mit der Einführung des Bitcoin-Netzwerks löste der pseudonyme Schöpfer es im Wesentlichen durch den Proof-of-Work (PoW)-Konsensalgorithmus.
Um das Problem zu lösen, hat Satoshi eine Möglichkeit geschaffen, kryptografische Sicherheit sowie Public-Key-Verschlüsselung in einem digitalen Netzwerk zu verwenden. Um jegliche Manipulation der Daten zu verhindern, verwendet die kryptografische Sicherheit Hashing, während die Identität eines Netzwerkbenutzers durch seinen öffentlichen Schlüssel verifiziert wird.
Transaktionen werden in Blöcken gesichert, die durch ihren Hashwert mit anderen Blöcken verbunden und durch Kryptografie gesichert werden. Es ist wichtig zu beachten, dass die Blockchain einen Merkle-Baum verwendet, um die Hashes zu verifizieren, die aus dem Genesis-Block (Anfangsblock) stammen. Jeder Block, der aus dem Genesis-Block kommt, ist gültig. Diese Blöcke werden von Minern validiert, die kryptografische Rätsel in einem Wettbewerb lösen, um Blöcke im Rahmen der Konsensmethode zu produzieren.
Bitcoin hat ein klares und definitiv objektives Regelwerk aufgestellt, dem die Blockchain folgen muss, um das Problem der byzantinischen Generäle zu überwinden. Ein Netzwerkmitglied muss einen Nachweis darüber veröffentlichen, dass es die Arbeit abgeschlossen hat, um Informationen zur Blockchain hinzufügen zu können (daher Arbeitsnachweis). Dies ist für das Mitglied mit hohen Kosten verbunden und hält es für sie davon ab, fehlerhafte Informationen weiterzugeben, da diese von den anderen Staatsmitgliedern widerlegt werden.
Alle Regeln sind klar und objektiv, was bedeutet, dass die Informationen nicht manipuliert werden können.
Wie löst Proof-of-Stake das Problem der byzantinischen Generäle?
Netzwerke, die vom Proof-of-Stake-Konsensalgorithmus gesteuert werden, verlassen sich nicht auf Mining – sie verlassen sich auf Staking. Um ein Netzwerk-Validator zu werden, muss der Benutzer zuerst Gelder im System einsetzen. Diejenigen, die einen größeren Anteil besitzen, können auch mehr Blöcke validieren und größere Belohnungen verdienen. Diejenigen, die versuchen, die Informationen zu manipulieren, laufen Gefahr, ihren eingesetzten Betrag zu verlieren.
Die Art und Weise, wie diese Systeme das Problem lösen, ist unterschiedlich. Zum Beispiel, Ethereum 2.0 verwendet den Casper-Algorithmus. Es ist eine Mindestmehrheit von zwei Dritteln aller Knoten erforderlich, um sich auf einen bestimmten Block zu einigen, bevor er erstellt und dem Netzwerk hinzugefügt werden kann.
Je nach Notwendigkeit des Systems und Vorgehensweise des Teams gibt es unterschiedliche Lösungsansätze. Mit Delegated Proof of Stake (dPoS) ist es beispielsweise wesentlich schneller, einen Konsens zu erreichen. Andererseits implementieren einige Systeme die praktische byzantinische Fehlertoleranz.
