Як різні протоколи вирішують завдання візантійських генералів?
Що таке завдання візантійських генералів?
Завдання візантійських генералів — логічний експеримент, який можна застосувати до електронних розподілених мереж. Його метою є знаходження способу синхронізації незалежних один від одного учасників.
Суть завдання:
«Армії кількох генералів (мережеві вузли) беруть в облогу місто. Спілкуватися між собою можуть тільки відправляючи гінців (транзакції). Ключове завдання – домовитися про загальний план нападу чи відступу (консенсус). Деякі генерали є зрадниками і всіляко хочуть завадити договору».
Першу наукову статтю на цю тему в 1982 опублікували Леслі Лемпорт, Роберт Шостак і Маршалл Піз. Завдання справедливе лише розподіленим системам, де немає центрального вузла, якому довіряють інші учасники мережі. У реальному світі таким вузлом може бути, наприклад, центральний банк країни, який відповідає за емісію фіатної валюти, розподіляючи її за рахунками комерційних банків.
Оскільки криптовалюти спочатку будуються на принципах децентралізації без єдиного органу управління, вирішення цього завдання стало основним у проектуванні мереж на основі технології блокчейну.
Як Сатоші Накамото вирішив завдання візантійських генералів?
У 2008 році творець біткоїну Сатоші Накамото запропонував практичне вирішення завдання візантійських генералів. Він розробив протокол біткоїну та реалізував алгоритм консенсусу Proof-of-Work (PoW). Це дозволило виключити елемент довіри, встановивши чіткі правила досягнення консенсусу (договору) між вузлами розподіленої мережі біткоін (генералами).
PoW-алгоритм забезпечив здатність кожного вузла підтвердити, що інші вузли правильно виконали роботу та дотримуються договору. Це досягається за допомогою блокчейну, криптографією та економічними стимулами для майнерів, що захищають консенсус від зловмисних дій.
Коли один із вузлів вирішить виконати «неправильну роботу», всі інші учасники це побачать і не дозволять статися небажаною активністю.
Які алгоритми консенсусу використовують у криптовалютах?
Крім Proof-of-Work, найбільш поширеними та надійними рішеннями завдання візантійських генералів є алгоритми Proof of Stake (PoS) та Byzantine Fault Tolerance (BFT).
Proof of Stake (PoS) є найпопулярнішою версією на крипторинку. Суть механізму полягає в тому, що замість майнерів, як у PoW, керування мережею віддали власникам нативної монети. Головна перевага такого підходу – незначне споживання енергії порівняно з PoW.
Byzantine Fault Tolerance (BFT) – призначений для масштабування мереж PoS-блокчейнів. На відміну від попередніх, BFT використовує колективне ухвалення рішень у досягненні консенсусу. Вузли відправляють транзакції один одному поки що ⅔ всіх вузлів не прийдуть до однакового результату.
На ринку існує безліч модифікацій та гібридних алгоритмів. Один з таких – Tendermint, що лежить в основі блокчейну Cosmos, де одночасно застосовуються Delegated Proof-of-Stake (DPoS) та BFT. А, наприклад, Solana використовує dPoS та імплементацію алгоритму консенсусу BFT – Practical Byzantine Fault Tolerance (pBFT).
Крім цих алгоритмів у криптовалютах застосовують понад десяток варіантів консенсусу. Перерахуємо деякі з них:
- Leased Proof of Stake (LPoS) – черговий різновид PoS, де користувачі можуть брати участь у генерації блоків, передаючи токени в лізинг “головним” вузлам. Цей консенсус застосовується в блокчейні Waves;
- Proof of Elapsed Time (PoET) – доказ часу, що минув. Модифікація PoW використовує потужності CPU. Тут закладено принципи алгоритму справедливої лотереї, де випадково вибирається валідатор пропорційно вкладеним ресурсам. Використовується у рішеннях від Hyperledger;
- Delegated Byzantine Fault Tolerance (DBFT) – модифікація відразу двох алгоритмів: PBFT та DPoS. Цей варіант досягнення консенсусу застосовують у блокчейні NEO;
- Directed Acyclic Graphs (DAG) – спрямований ациклічний граф. Це не консенсус, але альтернативна блокчейна технологія. DAG складається з кіл і ліній, а не блоків, і виглядає як граф. Алгоритми консенсусу в таких мережах можуть використовуватися звичні, проте спосіб запису інформації кардинально інший. Одним з таких гібридів є Hashgraph;
- Proof of Activity (POA) – доказ активності. Використовує гібридний механізм на основі PoW та PoS. Найбільш відомий представник – Decred;
- Proof of Importance (Pol) — на доказ важливості лежать принципи рейтингової системи. Чим вищий умовний рейтинг валідатора, тим більше шансів знайти блоки. Популярність цього виду консенсусу принесла мережу NEM;
- Proof of Capacity (PoC) – доказ ємності. Використовує замість обчислювальних ресурсів простір на жорсткому диску. Консенсус застосовується в мережах Chia та BitTorent;
- Proof-of-Personhood (PoP) – доказ особистості. Використовує механізми підтвердження «людяності», гарантуючи, що кожен учасник проекту отримає рівний голос та винагороду. Флагманом виступає криптовалюта Worldcoin.